2. RÉSZ Szabályozási kapcsolat a Cistanche Deserticola minőségi változása és környezete között három ökotípusban a talaj mikrobióma elemzése alapján

AZ 1. RÉSZHEZ KATTINTSON IDE

További információért forduljon:Joanna.jia@wecistanche.com

összefüggések a kulcsfontosságú mikrobiális közösségek bősége, a PhG-tartalom és az ökológiai tényezők között.A mag, a biomarker mikrobiom abundancia, a PhGs tartalom és az ökológiai tényezők redundáns elemzése rendelési szinten, az újraelemzés pedig a hatások alapján történt. A korrigált varianciaértelmezés 82,70 százalék volt (S7 táblázat). A Sphingomonadák a PhG-tartalom 45,7 százalékát magyarázták (p=0,002). A Pseudonocardiales a PhG-tartalom 22,4 százalékát magyarázta (p=0,01). A 2'-acetil-lakteozid szignifikánsan pozitív korrelációt mutatott a Pseudonocardiales és Oceanospirillales, és negatívan korrelált a Sphingomonadales (5a. ábra). Az echinakozid szignifikánsan pozitív volt Sphingomonadales esetén.

Cistanchekivonat megakadályozhatjaAlzheimer-kórbetegség

Korrelációs elemzést végeztek a biomarkerek bőségére,PhGtartalom (S3. ábra és S5. táblázat), valamint ökológiai tényezők (S6. táblázat). A korrelációs hálózatok eredményei (5b. ábra) azt mutatták, hogy a 2′-acetil-lakteozid szignifikánsan pozitív korrelációt mutatott az Oceanospirillales, Rhizobiales és Thiotrichales, míg negatívan korrelált a Pseudonocardiales és Nitrosomonadales minden talajmintában. A hőtérkép (5c–e. ábra) azt mutatta, hogy az A táblázat oldala negatívan korrelált a sóoldat-lúg átlagos éves vízgőznyomásávalösszefüggések a kulcsfontosságú mikrobiális közösségek bősége, a PhG-tartalom és az ökológiai tényezők között.A mag, biomarker mikrobiom bőség redundáns elemzése,PhGstartalom, és ökológiai tényezők rendelési szinten, illetve hatások alapján történt újraelemzés. A korrigált varianciaértelmezés 82,70 százalék volt (S7 táblázat). A Sphingomonadák a PhG-tartalom 45,7 százalékát magyarázták (p=0,002). A Pseudonocardiales a PhG-tartalom 22,4 százalékát magyarázta (p=0,01). A 2'-acetil-lakteozid szignifikánsan pozitív korrelációt mutatott a Pseudonocardiales és Oceanospirillales, és negatívan korrelált a Sphingomonadales (5a. ábra). Az echinakozid szignifikánsan pozitív volt Sphingomonadales esetén.

Korrelációs analízist végeztünk az abun I. biomarker földjére. Eközben a cistanozid A szignifikánsan pozitív korrelációt mutatott a Micrococcales-szel, és negatívan korrelált a Rhizobiales-szel szikes-lúgos területeken (5c. ábra). A gyepben a 2′-acetil-lakteozid negatívan korrelált az éves átlagos hőmérséklettel (5d. ábra). Homokos talajon a tubulozid A negatívan korrelált a Nitrosomonadales-szel (5e. ábra).

a bakteriális mikrobiom prediktív funkciója a C. deserticola három ökotípusában.A bakteriális mikrobiom funkcionális profiljait a megfejtett bakteriális taxonok 16S rRNS gén kópiaszáma alapján jósoltuk meg Tax4Fun alkalmazásával a KEGG Ortholog csoportok (KO-k) szerint. A funkcionális előrejelzés eredményei (6. ábra) azt mutatták, hogy a talaj mikrobiómainak funkcionális metabolizmusa a C. deserticola három ökotípusában azonos volt. Az anyagcserék közül bőséges volt a szénhidrát-, aminosav-, kofaktor-, valamint vitamin- és energia-anyagcsere. A membrántranszport és a jelátvitel is bőséges volt a környezeti információfeldolgozásban.

Cistanchekivonat rendelkezikgyulladáscsökkentőtulajdonságait

Vita

Korábbi munkánk kimutatta, hogy a psbA-forduló szekvencia és a 2′-acetil-lakteozid molekuláris és kémiai markerként használhatók a megkülönböztetésre.C. deserticaHszincsiangból és Belső-Mongóliából27. Terepi vizsgálatokkal azt találtuk, hogy a C. desertica főként háromféle élőhelyen él, beleértve az Ebinur-tó melletti szikes-lúgos területeket, az Alexa League körüli homokos területeket és a köztes sivatagi gyepeket. Három C. desertica ökotípus metabolikus profilja azt is megmutatta, hogy a 2'-acetil-lakteozid kémiai markerként használható a három ökotípus megkülönböztetésére1. A C. deserticola minőségének változását és kialakulásának mechanizmusát az öröklődés, az anyagcsere és az éghajlati tényezők dimenziói alapján tárgyaltuk. Ezért mikroszempontból a korrelációs hálózat elemzése

a mikrobiom bősége,PhGstartalmat és ökológiai tényezőket vizsgáltak, hogy tisztázzák a talaj három ökotípusának mikrobiális közösségének jellemzőit.C. deserticolaés kapcsolatuk a minőségi változással.

víz. Ezenkívül a Bacillalescan gazdag anyagcseretermékeket állít elő különféle szerves savak, enzimek, fiziológiai aktivitások és egyéb anyagok, valamint számos más könnyen hasznosítható tápanyag szintetizálására33. A három ökotípus közös környezeti jellemzői C. deserticolaaz aszály és a talaj elsivatagosodása. Az Ebinur-tó körüli talajt sós-lúgos stressz is kíséri. Ez lehet az oka annak, hogy a három ökotípusba tartozó magtalaj mikrobaközösségek bizonyos jellemzőkkel rendelkeznek: szárazság, sótűrés, lúgállóság és stresszállóság.

Cistanchekivonat ellenállhatsugárzás

A PhG-k variációját befolyásoló mikrobiális tényezők a C. deserticola három ökotípusában.Az S3. ábra a C. deserticola három ökotípusának PhG-tartalmát ábrázolja. Az ábra azt mutatja, hogy a 2′-acetil-lakteozid tartalom magasabb a szikes-lúgos területeken, mint a füves és homokos területeken, ami összhangban van a korábbi eredményekkel1. A redundáns elemzés és az asszociációs hálózat eredményei azt mutatják, hogy az Oceanospirillales szignifikánsan pozitív korrelációt mutat a 2′-acetil-lakteoziddal. Az Oceanospirillales, a legmagasabb biomarker az LDA pontszámot tekintve a sós-lúgos területeken, kifejezetten dúsított. Ezek a baktériumok metabolikusan és morfológiailag változatosak, némelyikük oxigén jelenlétében szaporodhat, míg mások anaerob környezetet igényelnek34. Az Oceanospirillales a proteobaktériumok egy rendje, amely két családból áll. A tengeri spirillum gyakran a csontevő férgek (Osedax) endoszimbiontája35. A legtöbb Oceanospirillale előnyben részesíti vagy magas sókoncentrációt igényel a növekedéshez. Annak ellenére, hogy sokféle résben nőnek, az Oceanospirillales különféle biotermékek lebontásából nyeri az energiát. Ezért a magas sótartalom és lúgosság a fő oka annak, hogy az Oceanospirillales feldúsul a szikes-lúgos talajban. Ez az eredmény erősen azt sugallja, hogy a sóoldatban-lúgokban található legmagasabb 2′-acetil-lakteozid-tartalom az Oceanospirillales dúsításával kapcsolatos. Az Oceanospirillales és a 2′-acetil-lakteozid közötti szabályozási kapcsolat azonban még mindig üres, és további kutatásokra van szükség.

A hét PhG össztartalma a legelőn a legmagasabb, ezek között az echinakozid a domináns PhG. Az echinakozid szignifikánsan pozitív korrelációt mutat a Sphingomonadales-szel, amely az alfa-proteuson belüli szekvencia, és az Erythrobacteraceae és Sphingomonadaceae családját alkotja. Mindkét család gyakori a természetben, különösen a talajban, az óceánokban és az édesvízben36. A Sphingomonadales az aromás vegyületek metabolikus kapacitásának széles skálájával rendelkezik, és egyes törzsek értékes extracelluláris biopolimereket tudnak szintetizálni37. A Sphingomonas osztály minden korábban ismert tagja aerob és kémiailag szerves. Az egyetlen kivétel a fakultatív anaerob etanol fermentor, amelyet erjesztett italpép előállítására használnak. A Rhodobacter, a porphyrin és a Staphylococcus aureus nemzetség bizonyos fajai, valamint a Sphingomonas nemzetség bizonyos fajai klorofill a-t tartalmaznak, ezért opcionális fotoorganotrófok (fotoszintézis útján keletkező energia)38. A legelőkben a C. deserticola legjobb minősége a mikrobiális közösség gazdag diverzitásának és a biomarker (Sphingomonadales) anyagcsere-funkcióinak köszönhető. Ez a megállapítás új betekintést nyújt a C. deserticola különböző ökotípusok minőségi változásairól szóló tanulmányba.

A három C. deserticola ökotípus talajmikrobiómáinak metabolikus funkcióprofiljainak előrejelzése.A C. deserticola talajmikrobiomjainak metabolikus funkcióprofiljait (6. ábra és S1 fájl) a három ökotípusban először mutattuk be ebben a vizsgálatban. Az anyagcsere szempontjából a szénhidrát-anyagcsere (keményítő- és szacharóz-anyagcsere, ko00500; aminocukor- és nukleotid-cukor-anyagcsere, ko00520) és aminosav-anyagcsere (arginin- és prolin-anyagcsere, ko00330; glicin-, szerin- és treonin-anyagcsere, ko00260) nagymértékben dúsított mikrobiomák. A szénhidrát-anyagcsere felelős a szervezetben a szénhidrátok képződéséért, lebontásáért és átalakulásáért. A szénhidrátok számos fontos anyagcsereút alapját képezik39. A szénhidrátok, például a glükóz, a fajok közötti több anyagcsereút részei. A szénhidrátokat a növények a légkörből fotoszintézis útján szintetizálják, és a sejtlégzés szubsztrátjaként használhatók40. A növények és mikroorganizmusok ammóniát, ammóniumsót, nitritet, nitrátot és egyéb szervetlen nitrogént szívnak fel a környezetből, hogy fehérjéket és nitrogéntartalmú anyagokat szintetizáljanak. Egyes mikrobák képesek az N2-t levegőből ammónia-nitrogénné alakítani, így aminosavakat szintetizálnak41. A talaj mikrobiómák anyagcsere funkciója az elsődleges anyagcserében gazdagodott. Ez a dúsítás azt sugallja, hogy a mikrobiomák táplálékkal látják el a növényeket, és elősegíthetik növekedésüket aszály és egyéb stresszhatások alatt.

A metabolikus funkcióprofilok azt is kimutatták, hogy a környezeti információfeldolgozás során a membrántranszport (ABC transzporterek, ko02010) és a jelátvitel (kétkomponensű rendszer, ko02020) nagymértékben gazdag mikrobiomokban. A membrántranszport olyan mechanizmusok összessége, amelyek szabályozzák az oldott anyagok, például ionok és kis molekulák áthaladását egy biofilmen, amely a fehérjékbe ágyazott lipidek kettős rétege. A membránok keresztezésének szabályozása a szelektív membránok permeabilitásának tulajdonítható, amely a biofilmek sajátossága, amely lehetővé teszi a különböző kémiai tulajdonságokkal rendelkező anyagok elkülönítését. Más szavakkal, ezek a membránok bizonyos anyagok számára áteresztőek lehetnek, mások számára azonban nem42. Ezen membránok közül az ABC transzporter útvonal nagymértékben feldúsult a talaj mikrobiómáiban. Az ATP-kötő doboz (ABC) transzporterek univerzálisan léteznek mikroorganizmusokban, például baktériumokban, és az egyik legnagyobb ma ismert fehérjecsalád. Ezek a transzporterek megkötik az ATP hidrolízisét, hogy részt vegyenek különféle szubsztrátok, például ionok, peptidek, lipidek, gyógyszerek, cukrok, fehérjék és szterinek aktív transzportjában. A prokarióták ABC transzportereinek szerkezete általában három részből áll. Általában két ép membránfehérjének hat transzmembrán fragmentuma van: két perifériás fehérje, amely megköti és hidrolizálja az ATP-t, és egy kötőfehérje egy perifériás (vagy lipoprotein) szubsztrátja. Amint azt számos baktérium és archaea genomjában megfigyelték, e három komponens számos génje operont alkot43. A szárazság, a sótartalom és a lúgos stressz elősegítette a membrántranszport funkciót, különösen a talaj mikrobiomák aktív transzport funkciójának javulását.

A jelátvitel olyan folyamat, amelyben kémiai vagy fizikai jelet továbbítanak a sejten molekuláris események sorozataként. A leggyakoribb a protein kináz által katalizált fehérje foszforiláció. A kétkomponensű rendszer egy olyan jelátviteli útvonal, amely számos bakteriális jellemzőt szabályoz, például toxicitást, patogenitást, szimbiózist, mozgékonyságot, tápanyag-felszívódást, másodlagos metabolitok termelődését, metabolikus szabályozást és sejtosztódást. Ezek a rendszerek környezeti vagy sejtparaméterek alapján szabályozzák az élettani folyamatokat, lehetővé téve számukra, hogy alkalmazkodjanak a változó körülményekhez44. A talaj mikrobiomák jelátvitelét a szárazság vagy a sós-lúgos stressz elősegítette.

CistancheExtract CanAntioxidáns

következtetés

Ez a tanulmány az első, amely bemutatja a C. deserticola három ökotípusának talajmikrobiomát. A következő következtetéseket vonjuk le: (1) A talaj mikrobiális közössége a gyepekben a legelterjedtebb a három élőhely közül. (2) Meghatároztuk a három ökotípus biomarkereit is: Oceanospirillales (szikes-lúgos talaj), Sphingomonadales (gyep), Propionibacteriales (homokos talaj). (3) Az alapvető mikrobiom elemzése kimutatta, hogy a C. deserticola talajban élő mikrobiális közösségei többnyire szárazság-, só-, lúg- és stressz-rezisztenciával rendelkeztek, mint például a Micrococcales és a Bacillales. (4) A korrelációs elemzés kimutatta, hogy a 2′-acetil-lakteozid pozitívan korrelál az Oceanospirillales-szel, és az echinakozid szignifikánsan pozitívan korrelál a Sphingomonadales-szel. (5) A Tax4Fun előrejelzése szerint a talajmikrobiom három ökotípusának metabolikus funkcióprofilja gazdagodik az anyagcserében és a környezeti információfeldolgozásban.

Hivatkozások

1. Zheng, S., Jiang, X., Wu, L., Wang, Z. & Huang, L. A cistanches herba kémiai és genetikai megkülönböztetése UPLC-QTOF/MS és DNS vonalkódolás alapján. Plus One 9, e98061 (2014).

2. Li, Z. et al. A Cistanche deserticola YC Ma ökológiai modellezése Alxában, Kínában. Scientific Reports 9, 13134, https://doi.org/10.1038/s41598-019-48397-6 (2019).

3. Joseph, E. et al. A rizs gyökérrel kapcsolatos mikrobiómáinak szerkezete, variációja és összeállítása. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, E911 (2015).

4. Jansson, JK & Hofmockel, KS Talaj mikrobiom és klímaváltozás. Természetértékelések. Microbiology, https://doi.org/10.1038/s41579-019-0265-7 (2019).

5. Wang, X. et al. A tenyésztett Cistanche deserticola különböző részei kémiai profiljainak és antioxidáns aktivitásának összehasonlítása Ultra Performance Folyadékkromatográfia-Kvadrupol repülési idő tömegspektrometria és 1,1-Difenil-2- pikrilhidrazil alapú vizsgálattal. Molecules 22, 2011 (2017).

6. Yang, L. et al. A Cistanche deserticolából izolált teljes fenil-etanol-glikozid-frakció jótékony hatásai a csontok mikroszerkezetére petefészek-eltávolított patkányokban. Oxidatív gyógyászat és celluláris élettartam 2019, 2370862, https://doi. org/10.1155/2019/2370862 (2019).

7. Liu, W. et al. Az (1)H NMR-alapú nem célzotttól az LC-MS alapú célzott metabolomikai stratégiáig a kamilla alapos összehasonlításához négy Cistanche faj között. Journal of Medicine and Biomedical analysis, 162, 16–27, https://doi.org/10.1016/j. jpba.2018.09.013 (2019).

8. Chen, H. et al. A Salvia miltiorrhiza magvak gyógynövény magmikrobiómája: a hasznos mikrobák gazdag tárháza a másodlagos anyagcseréhez? International Journal of Molecular Sciences 19, 672 (2018).

9. Sonnenburg, JL & Backhed, F. Diéta-mikrobiota interakciók mint az emberi anyagcsere moderátorai. Nature 535, 56–64, https://doi. org/10.1038/nature18846 (2016).

10. Ju, F. & Zhang, T. 16S rRNS gén nagy áteresztőképességű szekvenálási adatbányászat a mikrobiális diverzitás és kölcsönhatások tekintetében. Applied Microbiology and Biotechnology 99, 4119–4129 (2015).

11. Cui, J.-L., Vijayakumar, V. & Zhang, G. Gombás endofit-együttesek felosztása gyökérparazita növényben, a Cynomorium songaricumban és a Nitraria tangutorumban. Frontiers in Microbiology 9, 666 (2018).

12. Fan, P., Liu, P., Song, P., Chen, X. & Ma, X. A mérsékelt étrendi fehérje korlátozás megváltoztatja a bél mikrobiota összetételét és javítja a csípőbél gát funkcióját felnőtt sertés modellben. Scientific Reports 7, 43412 (2017).

13. Munyaka, PM et al. A Mo1774 prenatális antibiotikum-kezelés növeli az utódok érzékenységét a kísérleti vastagbélgyulladásra: A bélmikrobióta szerepe. Plus One 10, e0142536 (2015).

14. Zhao, Y. et al. A keverési intenzitás hatása egyetlen vertikális, acidogén és metanogén fázist integráló reaktor teljesítményére és mikrobiális dinamikájára a lignocellulóz biomassza emésztésében. Bioresource technology 238, 542–551 (2017).

15. Cole, JR és mtsai. A Ribosomal Database Project: továbbfejlesztett igazítások és új eszközök az rRNS-elemzéshez. (2009).

16. Edgar, RC UPARSE: rendkívül pontos OTU szekvenciák mikrobiális amplikonok leolvasásából. Nature Methods 10, 996 (2013).

17. Yu, W. et al. Az édesvízi, árapály-vizes élőhelyek és tengeri üledékek baktériumdiverzitási szintjének összehasonlítása Illumina-címkék millióinak felhasználásával. Applied & Environmental Microbiology 78, 8264 (2012).

18. Jiang, XT et al. A 16S rRNS-címkék Illumina szekvenálása kimutatta a bakteriális közösségek térbeli változatait egy mangrove vizes élőhelyen. Microbial Ecology 66, 96–104 (2013).

19. Sanner, MF Python: programozási nyelv szoftverintegrációhoz és -fejlesztéshez. Journal of Molecular Graphics & Modeling

17, 57–61 (1999).

20. Caporaso, JG et al. A QIIME lehetővé teszi a nagy áteresztőképességű közösségi szekvenálási adatok elemzését. Nat Methods 7, 335–336, https://doi. org/10.1038/nmeth.f.303 (2010).

21. Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. MicrobiomeAnalyst használata a mikrobiomadatok átfogó statisztikai, funkcionális és metaanalíziséhez. Nature Protocols, 1–23 (2020).

22. Dhariwal, A. et al. MicrobiomeAnalyst: webalapú eszköz a mikrobióm adatok átfogó statisztikai, vizuális és metaanalíziséhez. Nukleinsavak kutatása 45, W180–W188 (2017).

23. Šmilauer, P. & Lepš, J. Ökológiai adatok többváltozós elemzése CANOCO 5 segítségével. (Cambridge University Press (2014).

24. Shannon, P. et al. Cytoscape: szoftverkörnyezet biomolekuláris interakciós hálózatok integrált modelljéhez. Genome Research 13, 2498–2504 (2003).

25. Asshauer, KP, Wemheuer, B., Daniel, R. & Meinicke, P. Tax4Fun: funkcionális profilok előrejelzése metagenomikus 16S rRNS adatokból. Bioinformatics (Oxford, England) 31, 2882–2884, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv287 (2015).

26. Koo, H. et al. Az antarktiszi Obersee-tóból származó mikrobiális szőnyegek mikrobiális sokféleségének és prediktív funkcionális jellemzőinek jellemzésére használt két bioinformatikai eszköz összehasonlítása. Journal of Microbiological methods 140, 15–22 (2017).

27. Huang, L., Zheng, S., Wu, L., Jiang, X. & Chen, S. A Cistanche deserticola ökotípusai kémiai összetétel és molekuláris jellemzők alapján. Scientia Sinica Vitae 44, 318–328 (2014).

28. Gabriele, B. & Kornelia, S. A növényfajok és a talajtípusok együttműködve alakítják a rizoszféra mikrobiális közösségeinek szerkezetét és működését. Fems Microbiology Ecology 68, 1–13 (2010).

29. Parte, AC LPSN – prokarióta nevek listája a nómenklatúrában. Nukleinsavak kutatása 42, 613–616 (2014).

30. Pirog, T., Grinberg, T. & Malashenko, YR Az Acinetobacter sp. által termelt exopoliszacharidok védő funkciói Microbiology (New York, NY) 66, 279–283 (1997).

31. Liu, Y.-H. et al. A Lycium ruthenicum Murr halofitonnal kapcsolatos endofiták sokfélesége, közösségi eloszlása ​​és növekedést elősegítő tevékenységei. 3 Biotech 9, 144 (2019).

32. Staley, Bryant, Pfennig, Holt és JG Bergey szisztematikus bakteriológiai kézikönyve – 4. kötet. Bergeys Manual of Systematic Bacteriology 38, 89–100 (1989).

33. Pasqua, RD et al. Különböző lignocellulózforrások hatása a Bacillus amyloliquefaciens B31C endo-1,4- -glükanáz génexpressziójára és enzimaktivitására. Bioresources 9 (2014).

34. Pot, B. & Gillis, M. Oceanospirillum. (2015).

35. Euzeby, JP Baktériumnevek listája a nómenklatúrában: az interneten elérhető mappa. International Journal of systematic bacteriology 47, 590–592, https://doi.org/10.1099/00207713-47-2-590 (1997).

36. Balkwill, DL, Fredrickson, JK & Romine, MF Sphingomonas és rokon nemzetségek. Prokaryotes 7, 605–629 (2003).

37. Takeuchi, M., Hamana, K. & Hiraishi, A. A Sphingomonas sensu stricto nemzetség és három új nemzetség, a Sphingobium, Novosphingobium és Sphingopyxis javaslata filogenetikai és kemotaxonómiai elemzések alapján. International Journal of Systematic & Evolutionary Microbiology 51, 1405–1417 (2001).

38. Saori, S. & Akira, H. Novosphingobium naftalenivorans sp. nov., a poliklórozott-dioxinnal szennyezett környezetből izolált naftalinbontó baktérium. Journal of General & Applied Microbiology 53, 221–228 (2007).

39. Alánt, O., Pulay, I., Esztergályos, J. & Bodnár, A. Effect of műtét a szénhidrát anyagcserére. Acta Chirurgica Academiae Scientiarum Hungaricae 16, 307 (1975).

40. Gray, GM Szénhidrát emésztés és felszívódás. Encyclopedia of Gastroenterology 58, 275–278 (2004).

41. Coon, MJ és Robinson, WG Amino AcidMetabolism. (2003).

42. Purves, WK, Orians, G., Heller, C. & Sadava, D. Vida, LaCiencia de la Biología. 8ª edition. Panamericana (2009).

43. Schneider, E. & Hunke, S. ATP-kötő kazettás (ABC) transzportrendszerek: Az ATP-hidrolizáló alegységek/domének funkcionális és szerkezeti vonatkozásai. Fems Microbiology Reviews 22, 1–20 (1998).

44. Kleerebezem, M., Quadri, LE, Kuipers, OP & Vos, WM De. Kvórumérzékelés peptid feromonokkal és kétkomponensű jelátviteli rendszerekkel Gram-pozitív baktériumokban. Molecular Microbiology 24, 895–904 (2010).